多通道动态应变观测系统在地震模拟实验中的应用

为了研究实验变形失稳过程中的应变场快速调整阶段和岩石结构破坏过程中的复杂变形场,将高速、高分辨率、多通道的应变观测技术引入构造物理实验,搭建了用以观测瞬态变形场的多通道动态应变观测系统,形成了16Bit分辨率、96通道、3.4kHz采样速度、1με分辨率且连续记录的应变观测系统。通过观测断层失稳过程高速滑动阶段和裂纹扩展过程的力学场时空变化,发现断层粘滑失稳过程的演化具有3个特征阶段:预滑动阶段、高频震荡阶段和低频调整止滑阶段。每个阶段的持续时间、应变速率、频率特性、振幅等都具有自身特点;三维断层扩展模型的实验结果显示,岩桥区断层贯通是一个快速过程,先多点局部扩展,后跳跃式连接。在断层贯通之后,样品整体崩垮之前,存在一个相对稳定的阶段,持续时间为几十ms。多通道动态应变观测系统填补了在地震模拟与岩石力学实验中应变观测频带的空缺,可以获得高密度、高精度的动态应变场,进一步研究瞬态应变场演化与应变波时空过程,为理解从缓慢递进变形到突发失稳释放过程提供了技术支持。     

断层失稳过程超动态变形时空模式的实验研究

作为构造地震的基本物理模型,断层失稳是否可以被简单地划分为应变积累的粘滞阶段与应变快速释放的地震滑动阶段两个部分,并用弹簧滑块组合来解释是一个根本的问题。近几十年来,对失稳前断层状态的研究反映出很多研究者已经意识到这个阶段的复杂性,例如成核相、临界扩展尺度、局部化等研究的出现。亚失稳模型的提出把临震阶段的研究推向了深入,指出临震亚失稳阶段之中各种物理量存在规律性的时空演化特征,控制这些物理参数变化的根本原因是震源力学过程的时空演化规律。为此,需要研发高速多通道多参数并行连续记录的实验观测系统,依托这个系统对断层失稳变形的全过程,特别是失稳前几秒到微秒级别的瞬态变形过程,以及失稳滑动瞬态过程进行精细深入的观测,解析相关的震源力学问题。我们研发了一套64通道,16位分辨率,4 MHz采样频率并行连续采集的超动态变形场观测系统,首次实现了应变信号和声发射信号的同步采集。该系统在技术上处于国际同类实验室领先水平。基于该系统完成了多组实验,共获得209个失稳滑动事件,记录到约42 TB应变和声发射实验数据。实验证明,该系统具有很好的稳定性,为开展预滑、亚失稳、动态加速过程、失稳滑动瞬态过程等研究提供了一个全新的技术平台。以此系统为基础对断层失稳全过程进行观测,对断层亚失稳阶段,特别是亚失稳准动态阶段以及瞬态失稳阶段的变形场信息进行了精细深入的观测。获得以下结论:(1)伴随有断层局部卸载而出现的应变局部化加速是进入亚失稳准静态阶段的近场判据。在理论模型的描述中,亚失稳阶段的开始以样品宏观变形的应力曲线进入峰值后为标志。从沿断层的应变观测可以确认,峰后的整体应力下降在样品内部体现为个别段落的卸载,也就是说,从以全场稳态变形为主的应力积累阶段转变为局部卸载为主的亚失稳准静态阶段。在这个阶段中,断层各段通过相互加卸载作用使局部化进一步加强,该特点可作为进入亚失稳阶段的近场判据。(2)亚失稳准动态阶段存在应变波动的往复传递。亚失稳准动态阶段以逐点应变波浪式的往复传递为表现形式,在本文研究分析的实验中,准动态阶段可以分为3个子阶段(AA1、A1A2和A2A3阶段),每个子阶段对应一次应变波动的传递事件。第一阶段,应变波动的传递开始于断层中部并向上端的高应变区逐点释放;第二阶段,在上次应变传递的终点,一个新的应变波动出现并向断层下端反向传递,影响范围超过了第一阶段波动的起始位置并到达断层下端;第三阶段,在第二次应变波动到达的断层下端位置,再次出现新的向断层上端反向传递的应变波动。最后一次应变波动的传递贯穿了整条断层并到达断层上端的高应变区,使得累加应变达到了局部的剪切强度。最终从高应变区开始,整条断层带周边的应变能快速释放,造成"地震"。3个阶段中,应变波动传递的周期越来越短,速度越来越快,平均速度依次成几十倍递增。第一阶段,应变传递时间约7 s,平均速度约为16 mm/s;第二阶段,应变传递时间约0.16 s,平均速度约为920 mm/s;第三阶段,应变传递时间约0.017 s,平均速度约为17 600 mm/s(17.6 m/s)的速度扩展至整条断层。(3)准动态过程每个子阶段都存在短暂的准备期。准动态过程中,每个子阶段的应变传递开始前,在上一次应变传递的停止区域,会出现一个短暂的应变准备期,随后才能进入下一阶段的应变波动传递过程。第二子阶段的应变波动传递开始之前,在第一子阶段波动传递终点区域出现一个时长约为100 ms的应变准备期,随后开始第二阶段的应变波动传递;同样地,第三子阶段的应变波动传递开始,在第二子阶段应变波动传递终点区域出现一个时长约为25 ms的应变准备期,随后开始第三子阶段的应变波动传递;最终,在断层整体快速应变释放前,在第三子阶段应变波动传递终点区域出现一个时长约为3 ms的应变准备期,随后断层整体应变快速释放,发生"地震"。断层出现过渡带的原因可能是传递到端点的应变波动释放的应变并不足以引发断层整体滑动,需要重新积累应变直至产生下一次波动事件。应变准备期的出现,特别是断层瞬态失稳前的短暂应变准备期,可能为临震预测提供依据。(4)断层瞬态失稳初期存在同震高频应变震荡。在断层瞬态失稳初期,存在数次高频应变震荡,频率约为2 k Hz,频谱上限约为15 k Hz,单次应变震荡周期约为0.5 ms。每次高频振荡都伴随有一次实验室地震(声发射)事件,称其为同震高频应变震荡。虽然每次高频震荡在时间上存在一定的先后关系,但是由于在测点等间距的情况下走时时差不同,且存在应变波反向传播的情况;另外,各点应变波振幅水平大致相同,没有从震荡初始位置向两侧振幅衰减的特征。所以各点之间并不表现为应变波的传播关系。(5)存在毫秒时间尺度的同震子事件。在断层失稳阶段,如果出现"双震",每次"子地震"都对应一个或数个高频同震应变振荡波。同时,各次高频震荡的发震位置可能不同。这与中频系统所看到的多点震源情况类似,也就说明在不同的时间尺度上都可以观测到多点震源的情形。(6)断层整体止滑前存在应变波动的反向传递。在数次高频震荡结束后,出现一个相对低频的反向应变波动从断层另一端传递至发震位置,本次反向脉冲并不伴随有声发射现象。此后,断层整体同震阶段结束,各点开始在自己的应变水平上进行阻尼式的高频震荡。这个反向传递的应变波动可能包含着地震停止和断层止滑的重要信息。(7)浅震源环境下的三轴试验验证。与此同时,为了验证亚失稳阶段和瞬态失稳阶段在浅震源压力环境下是否符合类似规律,在三轴围压容器内完成多组实验。浅震源环境下的断层失稳实验表明,亚失稳阶段和复杂的断层瞬态失稳阶段在浅震源压力环境下依然存在,其进程与在双轴加载系统环境下的观测结果相符。     

汶川地震失稳机制的数值模拟研究

考虑断层的软化特性,建立垂直于龙门山断裂带并包含四川盆地和川西高原在内的汶川地震不稳定性地震力学模型.采用有限元方法计算得到了描述整个岩石力学系统稳定性状态和过程的平衡路径曲线.在此基础上,采用稳定性理论研究了汶川地震从孕育到发生的过程,讨论了断层倾角和断层材料参数对地震失稳的影响.数值模拟结果显示,系统只存在稳定的断层无震滑动和不稳定的地震失稳2种状态.断层倾角、初始内摩擦系数、初始黏聚力和强度曲线形状参数的增加会导致系统趋向不稳定的地震失稳状态.而强度曲线胖度参数的增加有助于系统进入稳定的断层缓慢无震滑动状态.地震失稳前,在平衡路径曲线的应力峰值点和失稳点之间,断层错动加速,应变能开始释放并且应力开始减小,是失稳的前兆.最后在失稳点发生应力突跳,地震发生,其间伴随应变能的急剧释放、应力降和断层突然错动.无论是稳定的断层无震滑动还是不稳定的地震失稳,系统重新进入应力和应变能增加状态后应力和应变能的增速由远场加载速度、岩石力学系统的结构和围岩材料属性决定,与断层软化特性参数无关.     

失稳前断层加速协同化的实验室证据和地震实例

地震是断层的快速错动,它有2个主要条件:一是断层协同化程度较高,一旦应力条件达到,能够迅速连接造成较长断层段的快速错动;二是断层上一些部位积累了足够高的应变,能够克服局部高强部位的错动阻力。地震短临前兆和必震信息识别是地震预报研究的焦点问题之一,为此开展了实验室平直断层失稳模拟研究。从应力变化曲线上可以判定标本所处的应力状态和识别亚失稳应力阶段。利用在实验室便于对压机信息和场上物理量的观测信息进行对比的优势,捕捉和比较应力偏离线性阶段和亚失稳阶段平行断层应变的时空演化过程中的差别。研究表明,由于断层上不同部位相互作用,断层各部位由独立活动逐渐转变为协同化活动,而断层活动协同化程度是判定断层所处应力状态的一个标志。断层活动协同化过程一般包括应变释放点产生、释放点的扩展和增多以及释放段之间相互连接3个阶段:第1阶段发生在偏离线性阶段,断层上不同部位的应变变化开始分化,出现孤立的应变释放区和积累区;第2阶段应变释放区的平稳扩展与亚失稳前期准静态失稳有关,断层上孤立应变释放区增多,并出现稳态扩展;第3阶段相当于亚失稳的后期,即准动态失稳阶段,断层上的应变释放区加速扩展,积累区应变水平加速提高。加速协同化开始于由准静态扩展向准动态扩展的转化,加速的机制是断层段间出现强相互作用。转化的本质在于扩展机制发生了变化,即由孤立断层段的扩展转变为断层段间在相互作用下的连接,这时断层进入发生地震的临界状态。根据实验结果,结合海原断裂带西侧的老虎山-毛毛山断裂地震活动的时空演化,分析了2000年6月6日ML6.2地震前该断层的协同化过程。     

断层失稳滑动瞬态过程的实验观测与分析

正地震过程伴随着岩体的破裂与断层的摩擦滑动失稳过程。断层的扩展与失稳过程一直是地震学研究的基本问题,观测变形过程物理场演化特征,建立失稳模式,对于理解和认识地震机制具有重要的参考和应用价值。地震过程可以简单地划分为地震孕育阶段、地震发生阶段和震后调整阶段。3阶段中,地震发生过程瞬间的记录尤其缺乏,特别是对地震瞬间的近场力学过程所知甚少。但是,短时间内,大面积提高现场地震力学过程瞬态场的观测具有相当难度。因此,在实验室模拟断     

应力时空演化揭示出的汶川地震前亚失稳过程

近年来从岩石实验研究针对应力水平进入峰值强度后至断层快速失稳前的短临阶段变形物理场的时空演化过程提出了亚失稳阶段的概念,该阶段的基本特征为应力由峰值前的积累为主转为峰值后稳定释放并加速至最终快速失稳,这一过程伴随着其他变形物理场的相应转变.把握该阶段应力场的转变特征对认识未来地震危险区及其变形阶段至关重要.以2008年汶川地震为例,运用基于区域多个地震震源机制反演定量应力张量的方法对强震前是否存在可观测的亚失稳应力状态进行了研究.获得的震源附近紫坪铺水库区域临震前应力状态时空演化过程显示,水库测震台网开始运行的2004年8月至2007年6月期间该区域归一化有效平均应力水平相对较低且均匀分布,随时间无明显变化;而2007年6月后至汶川主震发生前应力水平局部显著增强.基于不同时段的定量应力进一步获得了随时间演化的增量场,显示2007年6月后除了汶川附近和彭县附近为应力增强区,其他大部分区域表现为幅值相对较低的应力释放,表明研究区在2007年6月后应力水平明显弱化;而在2007年6月之前的应力增量场却显示区域应力随时间以积累为主.根据应力演化特征及分时段的应力增量场可推断孕震区在2007年中期达到强度极限,峰值前区域应力随时间平稳变化并以积累为主,而峰值后则转变为明显的应力释放.该现象显示汶川地震前区域应力存在由积累为主转为释放为主的可观测阶段,符合实验研究中断层由稳态进入亚失稳状态的应力演化特征.结合其他研究结果,推测汶川地震前震源断层及附近区域存在联动加速变形过程,与震前亚失稳应力状态相关.     

地震不稳定性的一个简单模型

基于断层面强度的非均匀性,将断层面的宏观破裂过程看作是断面局部微元的破裂累积过程,假设断层局部微元强度遵循Weibull概率分布,从统计力学角度推导出了宏观的断层载荷.变形的全过程本构关系.采用一维地震力学模型,以远场位移a为控制变量,用稳定性理论研究了地震不稳定性问题.研究表明,系统刚度比(围岩刚度与断层刚度之比)β是影响地震发生的重要参数,只有当β<1时才会出现地震失稳,且应力突跳发生在平衡路径曲线的位移转向点,并给出了地震过程的3个重要参数(地震后断层半错距、地震应力降和释放的弹性能)的表达式.当β≥1时,不会发生地震,仅是缓慢的断层滑动,属于无震滑动.     

亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征 ——实验与分析

断层亚失稳模型指出,在临震亚失稳阶段中各种物理量存在规律性的时空演化特征,控制这些物理参数变化的根本原因是震源的力学过程。为深入观测和分析该过程,文中介绍了一套自主研发的64通道、16位分辨率、4MHz采样频率、可并行连续采集的超动态变形场观测系统(UltraHi DAM),首次实现了在4MHz频率下对应变信号和声发射信号的同步采集。依托该系统对断层失稳变形的全过程,特别是失稳前几s到若干μs的瞬态变形过程,即亚失稳准动态阶段进行了精细、深入的观测,解析了相关的震源力学问题,获得以下认识:1)伴随断层局部卸载而出现的应变局部化加速是进入亚失稳准静态阶段的近场判据;2)亚失稳准动态阶段的应变场特征(应变调整)表现为以应变逐点的逐次加速和往复传递;3)准动态过程中每个子阶段都存在短暂的准备期,其可能有助于临震预测;4)一次断层失稳事件(实验室地震)可以伴随发生多次震源应变高频震荡以及对应的多次声发射事件。     

断裂亚失稳阶段及失稳部位特征的初步研究-以南天山西段和汶川地震为例

亚失稳阶段是指应力从峰值时刻到产生快速应力降起始时刻之间的阶段,是断层临近失稳的最后阶段,也是区域应力状态由积累为主转变为释放为主的阶段。识别断层的亚失稳应力状态、探讨强震亚失稳阶段即将面临的失稳部位的特征,寻找确认方法是一个很有现实意义,又很有挑战意义的科学问题。在实验室得到的断层亚失稳阶段的特点为野外识别亚失稳应力状态打下了基础。论文结合实验室已有结果,对处于亚失稳应力状态断层的特点进行了初步探索,研究了失稳前发震断裂的演化,分析了断裂协同化过程及应力状态;初步得到野外强震前断层的亚失稳阶段特征、演化过程以及可能的判定指标。地震发生过程中构造应力和应变的变化可以用Benioff应变分析法对其地震活动进行定量描述,分析研究区应变积累释放特征,探讨震前发震断裂是否存在地震加速活动现象或平静现象,以便与实验室应变观测结合起来进行分析。论文首先分析了前人利用Benioff应变研究加速释放方法的研究结果,探讨了其存在的问题,作者改进了已有方法。文中结合实验室研究结果给出了亚失稳断裂的研究方法,继而对南天山断裂带西段发生过2008年乌恰6.8级地震的卡兹克阿尔特断裂开展了回溯性研究,并使用该方法在研究区对目前的应力状态进行了预测性研究。其次以汶川M_S8.0地震为例,研究地震前后由于介质变化引起的远震转换波到时差的变化特征,从而分析震源区介质所处的应力状态。本项研究在以下方面取得进展:(1)把处于亚失稳阶段的断裂简称为亚失稳断裂,参考实验室关于断层亚失稳应力状态的研究结果,以Benioff应变积累达到支持7级以上地震发生的断裂为研究目标,提出判定亚失稳断裂的4步研究方法:(1)构造区Benioff应变积累足以支持7级以上地震发生;(2)从高应变积累构造区中找出高应变积累且应变开始缓慢释放的断裂;(3)区分断裂的积累段和释放段,根据断裂释放段的协同化程度判定其是否处于亚失稳阶段,寻找失稳部位;(4)判断断裂Benioff应变是否符合加速释放模型,分析亚失稳断裂发震的紧迫性。(2)文中在使用累积Benioff应变的加速释放模型方法时,地震序列的空间范围按断裂选取;在时间尺度选取上,取断裂Benioff应变积累释放曲线上最近的一次积累—缓慢释放时段进行分析。实验室岩石随着应力加载,亚失稳阶段应变积累、释放特征主要出现在断层附近。空间的这种选取方法根据实验室亚失稳阶段研究结果,有一定的构造物理意义。(3)本文以南天山西段为研究区,使用亚失稳断裂判定方法对2008年10月5日乌恰6.8级地震进行回溯性研究,结果显示,卡兹克阿尔特断裂在主震前满足亚失稳断裂判定方法的4个条件,取得了较好的效果;进而使用该方法对研究区现今应力状态进行预测性研究,发现目前柯坪断裂符合亚失稳状态条件的前3条:(1)南天山西段研究区的Benioff应变积累支持7级以上地震发生;(2)柯坪断裂累积Benioff应变支持6.8级以上地震发生,并且Benioff应变积累释放曲线出现波动、转平的趋势;(3)柯坪断裂77.5°—80°E的段落转为应变积累区,位于77.5°E以西的区域应变开始释放;但柯坪断裂目前不符合第4条,地震Benioff应变的释放不符合条件加速模型,表明断裂尚未进入加速协同化阶段。目前仍需密切关注该断裂的地震活动发展情况。(4)利用远震初至波穿越地壳、上地幔等速度界面时产生的一系列PS型透射转换波,测定远震PS转换波与初至P波的到时差Δt_(ps)=t_(ps)-t_p随时间的变化特征有可能监测孕震区转换界面以上有限的地层空间内介质物性的变化。选取2001—2012年作为研究时段,利用四川地震台网的YZP和JJS两台站记录到的兴都库什、苏门答腊南部地区两组震中距变化小于3°的远震,得到两个台站在2008年5月12日汶川M_S8.0地震前后记录的转换波到时差Δt_(ps)的变化特征。结果表明,在2006年以前Δt_(ps)有一个缓慢增大的趋势;汶川地震前约2年左右的时间段内Δt_(ps)出现明显低值过程,最大降幅达0.2—0.3 s左右,超过测量误差4—5倍;震前约2—3个月低值有一定程度的回返。表明本文提出的远震转换波方法在地震监测中有很好的应用前景,值得进一步实验研究。     

平直走滑断层亚失稳状态的位移协同化特征——基于数字图像相关方法的实验研究

亚失稳阶段是断层临近失稳的最后阶段,识别断层亚失稳状态,对评估断裂区内的断层失稳危险性具有重要意义．含平直走滑断层的岩石样品在卧式双轴伺服控制压机上加载产生黏滑,同时用高速相机以1000帧S_的速度记录样品变形,失稳过程中的数字图像,然后采用数字图像相关分析方法计算样品表面变形场,并通过定义表征断层位移累计值相对离散程度的协同化系数来描述断层失稳过程的协同化特征,结果表明：（1）局部预滑区进入亚失稳阶段之前,扩展速率非常缓慢;进入亚失稳I阶段后,扩展速率有所增加,但仍很缓慢,属于准静态扩展;在亚失稳II阶段,在占整个亚失稳阶段～1．5％的时间段内,断层先是以～0．9mS。的速率扩展,继而快速贯通整个观测区域,此时断层已转为准动态扩展．（2）在亚失稳I阶段断层位移协同化系数降为进入亚失稳前的一半,在亚失稳II阶段这一系数再降为进入亚失稳前的四分之一．这一系数持续下降意味着断层位移协同化作用的加强,亦可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一．（3）此外,在断层失稳滑动阶段,观测区内断层出现三次整体滑动：初始滑动,快速滑动和调整滑动．断层在三次滑动之间存在两次短暂的停顿过程．     

Coupling of tectonic loading and earthquake fault slips at subduction zones

Because of the viscoelastic behaviour of the earth, accumulation of elastic strain energy by tectonic loading and release of such energy by earthquake fault slips at subduction zones may take place on different spatial scales. If the lithospheric plate is acted upon by distant tectonic forces, strain accumulation must occur in a broad region. However, an earthquake releases strain only in a region comparable to the size of the rupture area. A two-dimensional finite-element model of a subduction zone with viscoelastic rheology has been used to investigate the coupling of tectonic loading and earthquake fault slips. A fault lock-and-unlock technique is employed so that the amount of fault slip in an earthquake is not prescribed, but determined by the accumulated stress. The amount of earthquake fault slip as a fraction of the total relative plate motion depends on the relative sizes of the earthquake rupture area and the region of tectonic strain accumulation, as well as the rheology of the rock material. The larger the region of strain accumulation is compared to the earthquake rupture, the smaller is the earthquake fault slip. The reason for the limited earthquake fault slip is that the elastic shear stress in the asthenosphere induced by the earthquake resists the elastic rebound of the overlying plate. Since rapid permanent plate shortening is not observed at subduction zones, there must be either strain release over a large region or strain accumulation over a small region over earthquake cycles. The former can be achieved only by significant aseismic fault slip between large subduction earthquakes. The most likely mechanism for the latter is the accumulation of elastic strain around isolated locked asperities of the fault, which requires significant aseismic fault slip between asperities.     

断层地震孕育和发生的不稳定性模型

在以前的工作中,考虑直立走滑型断层地震,假设断层面微元破裂强度遵循Weibull概率分布,由细观力学方法推导出断层面的宏观本构关系是一个非线性函数,表现为弹性-软化塑性特征,在此基础上用稳定性理论研究了地震稳定性问题.而实际断层大多是倾斜的,为此,本文首先建立了由围岩和倾斜断层构成的平面地震力学模型,采用宏观的断层载荷-变形的全过程曲线,详细讨论了倾斜断层地震的不稳定性问题.结果表明,远场一旦施加位移,断层也同时错动,这可能与实际情况不符合.为了更好的模拟断层的初始能量累计过程,进一步对断层本构模型进行改进.考虑断层面破裂强度,采用Coulomb破裂准则,则断层表现为刚塑性本构关系,只有当断层面剪应力达到一个临界值时,断层才开始错动.研究表明,对于倾斜断层地震,与直立走滑型断层地震一样,系统刚度比β（围岩切线刚度与断层刚度最大值之比）是决定地震失稳的重要参数,只有当β<1时才会出现地震失稳,且伴随应力突跳和围岩应变能释放.当β≥1时,仅仅是断层无震滑动,不会发生地震.在远场应施以位移形式边界条件,以致地震失稳发生在平衡路径的位移转向点并伴有应力突跳.     

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识：（1）铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.（2）龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20 km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.（3）在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.（4）地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.（5）应变能密度增量的演化图像分为：震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.（6）地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.     

固体围压下完整花岗岩粘滑现象的实验研究

本文用完整的花岗岩样品在固体围压三轴实验装置上压缩,研究围压和应变速率对岩样变形破裂过程、粘滑应力降、粘滑复发间隔及样品主破裂几何分布的影响。结果表明,加载速率较低时,粘滑应力降较大,复发间隔较长且分布无规律。加载速率越大,粘滑应力降越小,复发间隔也近似相等,粘滑事件表现出准周期性。围压和应变率较低时,岩石的主破裂会演变成两个交叉的共轭断裂面;而围压和应变率较高时,岩石的主破裂则演变成单一断裂面或入字形断裂面。本文结果对认识中国大陆板内地震孕育、发生及重复过程;研究地震重复发生的机制及影响地震复发间隔的主要因素都有重要意义。     

Experimental study on nucleation process of stick-slip instability on homogeneous and non-homogeneous faults

The nucleation process of stick-slip instability was analyzed based on the experimental measurements of strain and fault slip on homogeneous and non-homogeneous faults. The results show that the nucleation process of stick-slip on the homogeneous fault is of weak slip-weakening behavior under constant loading point velocity. The existence of a short “weak segment” on the fault makes slip-weakening phenomenon in nucleation process more obvious, while the existence of a long “weak segment” on the fault makes the nucleation process changed. The nucleation is characterized by accelerating slip in a local region and rapid increase of shear stress along the fault in this case, which is more coincident with the rate and state friction law. During the period when fault is locked, increasing of shear stress causes lateral elastic dilation near the fault, and the rebound of the dilation at the time of instability causes an instantaneous increase of normal stress in the fault plane, which is an important factor making fault be rapidly locked and its strength recovered.     

Experimental study on nucleation process of stick-slip instability on homogeneous and non-homogeneous faults

The nucleation process of stick-slip instability was analyzed based on the experimental measurements of strain and fault slip on homogeneous and non-homogeneous faults. The results show that the nucleation process of stick-slip on the homogeneous fault is of weak slip-weakening behavior under constant loading point velocity. The existence of a short "weak segment" on the fault makes slip-weakening phenomenon in nucleation process more obvious, while the existence of a long "weak segment" on the fault makes the nucleation process changed. The nucleation is characterized by accelerating slip in a local region and rapid increase of shear stress along the fault in this case, which is more coincident with the rate and state friction law. During the period when fault is locked, increasing of shear stress causes lateral elastic dilation near the fault, and the rebound of the dilation at the time of instability causes an instantaneous increase of normal stress in the fault plane, which is an important factor making fault be rapidly locked and its strength recovered.     

3-D Simulation of Earthquake Generation Cycles and Evolution of Fault Constitutitve Properties

--The earthquake generation cycle consists of tectonic loading, quasi-static rupture nucleation, dynamic rupture propagation and stop, and subsequent stress redistribution and fault restrengthening. From a macroscopic point of view, the entire process of earthquake generation cycles should be consistently described by a coupled nonlinear system of a slip-response function, a fault constitutive law and a driving force. On the basis of such a general idea, we constructed a realistic 3-D simulation model for earthquake generation cycles at a transcurrent plate boundary by combining the viscoelastic slip-response function derived for a two-layered elastic-viscoelastic structure model, the slip- and time-dependent fault constitutive law that has an inherent mechanism of fault restrengthening, and the steady relative plate motion as a driving force into a single closed system. With this model we numerically simulated the earthquake generation cycles repeated in a seismogenic region on a plate interface, and examined space-time changes in shear stress, slip deficits and fault constitutive properties during one complete cycle in detail. The occurrence of unstable dynamic slip brings about decrease both in fault strength and shear stress to a constant residual level. After the arrest of dynamic slip, the breakdown strength drop j†_p of fault is restored rapidly and the process of stress accumulation resumes in the seismogenic region. On the other hand, the restoration of the critical weakening displacement D_c proceeds gradually with time through the interseismic period. The restoration of D_c can be regarded as the macroscopic manifestation of the microscopic recovery process of fractal fault surface structure. Through numerical simulation with a multi-segmented fault model, we examined the effects of viscoelastic fault-to-fault interaction. The effect of transient viscoelastic stress transfer through the asthenosphere is significant as well as the direct effect of elastic stress transfer, and it possibly explains the time lag of the sequential occurrence of large events along a plate boundary.     

玉树MS7.1级地震前的形变应变场变化特征

基于1999～2007年和2007～2009年的GPS站点观测数据计算的速度场,分析了青藏亚板块的运动特征.利用块体(旋转与线性应变)弹性运动公式计算可可西里-巴颜喀拉块体和羌唐块体的应变率、可可西里-玉树断裂带的运动速度和应变率,研究了玉树7.1级地震前的形变应变特征.结果表明:可可西里-巴颜喀拉块体处于青藏亚板块运...     

应力增量触发断层岩体能量释放模拟与地震成因探讨—以龙门山断裂带为例

本文以龙门山断裂带为背景,基于岩体应变能基本理论,使用FLAC软件模拟地震能量源和能量释放形式,计算结果显示:在0.01 MPa水平应力增量作用下,龙门山断裂带及附近区域可释放的应变能约为3.24×1013 J;使得断层面之间发生滑移,克服断层面滑动摩擦所需消耗的能量约为2.10×1013 J;岩体在重力方向上产生位移,克服重力做功所消耗的能量约为1.14×1013 J。由此可推断:在一定区域内,应力触发释放能量值与克服断层面滑动摩擦和克服重力做功所消耗的能量之和大致相当;应变能可能会在某一区域范围内集中释放,形成地震效应。本次应力增量触发断层周围岩体能量释放事件中,在映秀—北川断裂与灌县—安县断裂之间的局部区域集中释放的能量为7.67×1012 J,相当于一次M_S5.39地震发生所释放的能量。